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刘伟 · 更新于 2018-01-20 09:01:00

扩展系统功能——装饰模式(一)

尽管目前房价依旧很高,但还是阻止不了大家对新房的渴望和买房的热情。如果大家买的是毛坯房,无疑还有一项艰巨的任务要面对,那就是装修。对新房进行装修并没有改变房屋用于居住的本质,但它可以让房子变得更漂亮、更温馨、更实用、更能满足居家的需求。在软件设计中,我们也有一种类似新房装修的技术可以对已有对象(新房)的功能进行扩展(装修),以获得更加符合用户需求的对象,使得对象具有更加强大的功能。这种技术对应于一种被称之为装饰模式的设计模式,本章将介绍用于扩展系统功能的装饰模式。

图形界面构件库的设计

Sunny 软件公司基于面向对象技术开发了一套图形界面构件库 VisualComponent,该构件库提供了大量基本构件,如窗体、文本框、列表框等,由于在使用该构件库时,用户经常要求定制一些特效显示效果,如带滚动条的窗体、带黑色边框的文本框、既带滚动条又带黑色边框的列表框等等,因此经常需要对该构件库进行扩展以增强其功能,如图所示:

带滚动条的窗体示意图

如何提高图形界面构件库性的可扩展性并降低其维护成本是 Sunny 公司开发人员必须面对的一个问题。

Sunny 软件公司的开发人员针对上述要求,提出了一个基于继承复用的初始设计方案,其基本结构如图所示:

图形界面构件库初始设计方案

图中,在抽象类 Component 中声明了抽象方法 display(),其子类 Window、TextBox 等实现了 display() 方法,可以显示最简单的控件,再通过它们的子类来对功能进行扩展,例如,在 Window 的子类 ScrollBarWindow、BlackBorderWindow 中对 Window 中的 display() 方法进行扩展,分别实现带滚动条和带黑色边框的窗体。仔细分析该设计方案,我们不难发现存在如下几个问题:

(1)系统扩展麻烦,在某些编程语言中无法实现。如果用户需要一个既带滚动条又带黑色边框的窗体,在图中通过增加了一个新的类 ScrollBarAndBlackBorderWindow 来实现,该类既作为 ScrollBarWindow 的子类,又作为 BlackBorderWindow 的子类;但现在很多面向对象编程语言,如 Java、C# 等都不支持多重类继承,因此在这些语言中无法通过继承来实现对来自多个父类的方法的重用。此外,如果还需要扩展一项功能,例如增加一个透明窗体类 TransparentWindow,它是 Window 类的子类,可以将一个窗体设置为透明窗体,现在需要一个同时拥有三项功能(带滚动条、带黑色边框、透明)的窗体,必须再增加一个类作为三个窗体类的子类,这同样在 Java 等语言中无法实现。系统在扩展时非常麻烦,有时候甚至无法实现。

(2)代码重复。从图中我们可以看出,不只是窗体需要设置滚动条,文本框、列表框等都需要设置滚动条,因此在ScrollBarWindow、ScrollBarTextBox和ScrollBarListBox等类中都包含用于增加滚动条的方法setScrollBar(),该方法的具体实现过程基本相同,代码重复,不利于对系统进行修改和维护。

(3)系统庞大,类的数目非常多。如果增加新的控件或者新的扩展功能系统都需要增加大量的具体类,这将导致系统变得非常庞大。在图中,3 种基本控件和 2 种扩展方式需要定义 9 个具体类;如果再增加一个基本控件还需要增加 3 个具体类;增加一种扩展方式则需要增加更多的类,如果存在 3 种扩展方式,对于每一个控件而言,需要增加7个具体类,因为这 3 种扩展方式存在 7 种组合关系(大家自己分析为什么需要 7 个类?)。

总之,图不是一个好的设计方案,怎么办?如何让系统中的类可以进行扩展但是又不会导致类数目的急剧增加?不用着急,让我们先来分析为什么这个设计方案会存在如此多的问题。根本原因在于复用机制的不合理,图采用了继承复用,例如在 ScrollBarWindow 中需要复用 Window 类中定义的 display() 方法,同时又增加新的方法 setScrollBar(),ScrollBarTextBox 和 ScrollBarListBox 都必须做类似的处理,在复用父类的方法后再增加新的方法来扩展功能。根据“合成复用原则”,在实现功能复用时,我们要多用关联,少用继承,因此我们可以换个角度来考虑,将 setScrollBar() 方法抽取出来,封装在一个独立的类中,在这个类中定义一个 Component 类型的对象,通过调用 Component的 display() 方法来显示最基本的构件,同时再通过 setScrollBar() 方法对基本构件的功能进行增强。由于 Window、ListBox 和 TextBox 都是 Component 的子类,根据“里氏代换原则”,程序在运行时,我们只要向这个独立的类中注入具体的 Component 子类的对象即可实现功能的扩展。这个独立的类一般称为装饰器(Decorator)或装饰类,顾名思义,它的作用就是对原有对象进行装饰,通过装饰来扩展原有对象的功能。

装饰类的引入将大大简化本系统的设计,它也是装饰模式的核心,下面让我们正式进入装饰模式的学习。